Биронт, В.С. Структура железоуглеродистых и цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Учебная программа дисциплины «Машиностроение»

Учебное пособие

Лабораторный практикум «Структура железоуглеродистых

и цветных сплавов»

Методические указания по практическим занятиям

Методические указания по самостоятельной работе

Банк тестовых заданий в системе UniTest

Учебная программа дисциплины «Горное дело»

Учебная программа дисциплины «Металлургия»

Лабораторный практикум «Материаловедение»

Красноярск

ИПК СФУ

2008

Электронный

учебно-методический комплекс

УДК 620.22

ББК 30.3

Б64

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Материаловедение» подготовлен в

рамках инновационной образовательной программы «Материаловедческое образование при подготовке

бакалавров, инженеров и магистров по укрупненной группе образовательных направлений и

специальностей «Материаловедение, металлургия и машиностроение» в СФУ», реализованной в ФГОУ

ВПО СФУ в 2007 г.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки;

Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин

Биронт, В. С.

Б64 Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Версия 1.0 [Электронный ресурс] :

лаб. практикум / В. С. Биронт, Т. А. Орелкина, Т. Н. Дроздова. – Электрон. дан. (2 Мб). –

Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (Материаловедение : УМКД № 12-2007 / рук. творч.

коллектива Л. С. Цурган, Л. А. Быконя, Т. А. Орелкина). – 1 электрон. опт. диск (DVD). –

Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей)

1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 2 Мб свободного дискового пространства ; привод

DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe

Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf).

ISBN 978-5-7638-1039-4 (комплекса)

ISBN 978-5-7638-1485-9 (лабораторного практикума)

Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802377 от 01.01.0001 г.

(комплекса)

Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по дисциплине

«Материаловедение», включающего учебные программы по направлениям «Металлургия»,

«Машиностроение», «Горное дело» и «Технология геологической разведки», учебное пособие,

практикум «Материаловедение. Металлические материалы», лабораторный практикум

«Материаловедение», методические указания по практическим занятиям «Механические свойства

сплавов и фазовые превращения», методические указания по самостоятельной работе, контрольно-

измерительные материалы «Материаловедение. Банк тестовых заданий», наглядное пособие

«Материаловедение. Презентационные материалы».

В лабораторном практикуме приведены работы, посвященные металлографическому анализу

конкретных реальных сплавов железа и железоуглеродистых сплавов: сталей и чугунов, сплавов на

основе меди, алюминия, магния, титана, свинца, олова. Во всех работах рассматривается изменение

структуры сплавов в связи с изменением их химического состава. Приведенные в описаниях

лабораторных работ диаграммы фазового равновесия соответствующих систем позволяют

проанализировать формирование конечных структур сплавов с изменением температуры от жидкого

состояния до комнатной температуры в результате кристаллизации жидкости и фазовых превращений в

сплавах в твердом состоянии.

Предназначен для студентов направления подготовки бакалавров 150100.62 «Металлургия»

укрупненной группы 150000 «Материаловедение, металлургия и машиностроение».

Рекомендовано Инновационно-методическим управлением СФУ

в качестве учебного пособия

Редактор Л. Х. Бочкарева

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения

информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных

образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия

программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 01.09.2008

Объем 2 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-3-

Введение ..................................................................... 5

Лабораторная работа 1. Микроструктура

углеродистых сталей ................................................ 6

Порядок выполнения работы ..................................................................................... 6

Теоретическое введение ............................................................................................. 6

Структура углеродистых сталей ................................................................................ 9

Требования к отчету ................................................................................................... 15

Контрольные вопросы и задания ............................................................................ 16

Задание по самостоятельной работе ...................................................................... 16

Библиографический список ...................................................................................... 16

Лабораторная работа 2. Микроструктура чугунов 18

Порядок выполнения работы ................................................................................... 18

Теоретическое введение ........................................................................................... 18

Структура чугунов ....................................................................................................... 20

Требования к отчету ................................................................................................... 26

Контрольные вопросы и задания ............................................................................ 27

Задание по самостоятельной работе ...................................................................... 27

Библиографический список ...................................................................................... 27

Лабораторная работа 3. Микроструктура меди

и ее сплавов ............................................................. 28

Порядок выполнения работы ................................................................................... 28

Теоретическое введение ........................................................................................... 28

Структура чистой меди .............................................................................................. 29

Структура меди с примесями .................................................................................... 29

Медь с примесью кислорода ................................................................................ 30

Медь с примесью серы .......................................................................................... 31

Медь с примесью висмута ..................................................................................... 31

Медь с примесью фосфора ................................................................................... 32

Медь с примесью свинца ....................................................................................... 32

Структура сплавов на основе меди ......................................................................... 33

Латуни ....................................................................................................................... 33

Бронзы ...................................................................................................................... 36

Требования к отчету ................................................................................................... 40

Контрольные вопросы и задания ............................................................................ 41

Задание по самостоятельной работе ...................................................................... 42

Библиографический список ...................................................................................... 42

ОГЛАВЛЕНИЕ



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-4-

Лабораторная работа 4. Микроструктура

алюминиевых сплавов ............................................ 43

Порядок выполнения работы ................................................................................... 43

Теоретическое введение ........................................................................................... 43

Структура литейных алюминиевых сплавов ........................................................ 50

Структура двойных силуминов ............................................................................ 51

Структура комплекснолегированных силуминов ............................................. 52

Структура литейных сплавов на основе систем Al–Cu, Al–Mg ....................... 53

Структура деформируемых алюминиевых сплавов ............................................ 54

Структура термически неупрочняемого сплава................................................ 54

Структура термически упрочняемых алюминиевых сплавов ........................ 55

Изменение структуры слитка при гомогенизационном отжиге ....................... 57

Изменение структуры сплавов при горячей пластической деформации ..... 57

Требования к отчету ................................................................................................... 58

Контрольные вопросы и задания ............................................................................ 58

Задание по самостоятельной работе ...................................................................... 59

Библиографический список ...................................................................................... 59

Лабораторная работа 5. Микроструктура

магниевых и титановых сплавов .......................... 61

Цель работы ................................................................................................................ 61

Порядок выполнения работы ................................................................................... 61

Теоретическое введение ........................................................................................... 61

Структура литейных магниевых сплавов .............................................................. 65

Структура деформируемых магниевых сплавов .................................................. 67

Структура титановых сплавов ................................................................................. 69

Требования к отчету ................................................................................................... 75

Контрольные вопросы и задания ............................................................................ 75

Библиографический список ...................................................................................... 76

Лабораторная работа 6. Микроструктура

подшипниковых сплавов ........................................ 77

Цель работы ................................................................................................................ 77

Порядок выполнения работы ................................................................................... 77

Теоретическое введение ........................................................................................... 77

Структура оловянных и свинцовых баббитов ...................................................... 78

Структура алюминиевых подшипниковых сплавов ............................................. 81

Структура цинковых подшипниковых сплавов ..................................................... 81

Требования к отчету по работе................................................................................. 81

Контрольные вопросы и задания ............................................................................ 82

Библиографический список ...................................................................................... 82



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-5-

Государственными образовательными стандартами высшего профес-

сионального образования металлургического направления предусматривает-

ся изучение дисциплины «Материаловедение». Рабочей программой дисцип-

лины определены требования к уровню практических навыков студента. Он

должен уметь анализировать структуру и фазовый состав черных и цветных

металлов и сплавов для решения задач в области материаловедения. Лабора-

торный практикум позволяет закрепить теоретические знания по курсу «Ма-

териаловедение» и приобрести практические навыки в области металлогра-

фического анализа. Лабораторные работы формируют мировоззрение сту-

дентов, основанное на знаниях о строении металлических материалов, об их

структуре и свойствах и помогают в подготовке специалистов, способных

правильно оценивать возможности материалов, решать технологические

проблемы при обработке и поведении материалов в разнообразных условиях

эксплуатации.

Студенты при выполнении лабораторных работ изучают под микро-

скопом микроструктуру образцов из черных или цветных металлов и спла-

вов, затем сопоставляют структуру с соответствующей диаграммой состоя-

ния, рассматривают механизм ее формирования при получении сплава в про-

цессе кристаллизации и последующем охлаждении до комнатной температу-

ры и определяют фазовые и структурные составляющие.

В лабораторной работе «Микроструктура углеродистых сталей» изу-

чают стали в литом, отожженном и горячекатаном состояниях и делают вы-

воды об общности и различиях структуры сталей в зависимости от содержа-

ния углерода и их фазового состава. В лабораторной работе «Микрострукту-

ра чугунов» анализируют белые чугуны с разным содержанием углерода, а

также серые, высокопрочные, ковкие чугуны, имеющие разную металличе-

скую основу.

В лабораторных работах «Микроструктура меди и ее сплавов», «Мик-

роструктура алюминиевых сплавов», «Микроструктура магниевых и титано-

вых сплавов», «Микроструктура подшипниковых сплавов» изучают структу-

ру цветных сплавов с использованием диаграмм состояния, определяют

влияние легирующих элементов на механические и технологические свойст-

ва сплавов. Проводят сравнение литейных и деформируемых сплавов в раз-

личных состояниях, анализируют фазовые и структурные превращения при

кристаллизации и в твердом состоянии, в результате чего делают выводы о

принципиальных отличиях структуры и свойств изучаемых сплавов.

Лабораторные работы, представленные в практикуме, помогут сту-

дентам стать технически грамотными инженерами, владеющими высокими

знаниями в области материаловедения.



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-6-

Цель работы: изучить структуру технического железа и углероди-

стых сталей в условиях относительного фазового равновесия. Проанализиро-

вать формирование структуры сплавов при кристаллизации и ее изменение

при фазовых превращениях в твердом состоянии. Установить связь между

диаграммой состояния железо-цементит и структурой сплавов.

1. На световом микроскопе просмотреть микроструктуру техническо-

го железа и доэвтектоидных, эвтектоидных, заэвтектоидных углеродистых

сталей. Зарисовать изучаемую структуру, указать фазы и структурные со-

ставляющие сплавов.

2. Изобразить метастабильную диаграмму состояния Fe–Fe

C. Для

технического железа и сталей указать критические точки, проанализировать

формирование структуры при кристаллизации из жидкости и на разных эта-

пах развития фазовых превращений в твердом состоянии.

3. Определить фазовые и структурные составляющие сталей, сопоста-

вить их с диаграммой состояния и условиями получения сплавов.

Техническое железо, стали и чугуны относятся к сплавам железа с уг-

леродом. Фазовые состояния железоуглеродистых сплавов в зависимости от

состава и температуры описываются диаграммами стабильного Fe–C и мета-

стабильного равновесия Fe–Fe

Диаграмма железо–графит построена в условиях очень медленного

нагрева и охлаждения (доли градуса в минуту). Диаграмма железо–цементит

строится в условиях более высоких скоростей нагрева и охлаждения (порядка

нескольких градусов в минуту).

Компонентом системы железо–цементит является чистое железо. При

температурах ниже 911°С железо имеет решетку ОЦК. Эта модификация но-

сит название альфа-железо (α -Fe). До 770 °С альфа-железо ферромагнитно,

выше – парамагнитно. Температура 911 °С является критической точкой (А

при которой осуществляется полиморфное превращение α-Fe ↔ γ-Fe. Выше

911 °С происходит перестройка кристаллической структуры железа из ре-

шетки ОЦК в решетку с более плотной упаковкой атомов – ГЦК – гамма-

железа (γ-Fe). Превращение α-Fe

→ γ-Fe сопровождается уменьшением

удельного объема примерно на 1 %. Гамма-железо существует в темпера-

турном интервале 911–1392 °С. Температура 1392 °С (А

) является критиче-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Теоретическое введение



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-7-

ской точкой, при которой реализуется полиморфное превращение γ-Fe ↔ δ-

Fe. Дельта-железо аналогично альфа-железу и имеет решетку ОЦК.

Вторым компонентом в метастабильной системе является цементит.

Цементит – это метастабильное соединение железа с углеродом, имеющее

ромбическую решетку, практически постоянного состава, соответствующее

формуле Fe

C. Цементит хрупок и очень тверд (НV около 800).

Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения. На основе

модификаций железа α-Fe, γ-Fe и δ-Fe образуются растворы внедрения угле-

рода в железе: α-феррит, γ-аустенит и δ-феррит соответственно.

Феррит (α) – это твердый раствор внедрения углерода в α-Fe с решет-

кой ОЦК и расположением атомов углерода в сравнительно небольших окта-

эдрических пустотах. При температуре 727 °С в феррите растворяется 0,02 %

С; при понижении температуры растворимость уменьшается, достигая вели-

чины 0,006 % С при комнатной температуре.

Структура феррита представляет собой равноосные полиэдрические

кристаллы. В равновесном состоянии феррит пластичен (относительное уд-

линение 40 %), имеет небольшую прочность и твердость (65–130 HB).

При температурах выше критической точки А

стабильной становится

модификация высокотемпературного δ-феррита, имеющего, как и низкотем-

пературный α-феррит, ОЦК решетку, но с большими по сравнению с ним па-

раметрами.

Аустенит (γ-фаза) – это твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe с

решеткой ГЦК. Атомы углерода располагаются в крупных октаэдрических

пустотах решетки.

Растворимость углерода в аустените значительно больше, чем в фер-

рите и соответствует 2,14 % при температуре эвтектического превращения. С

понижением температуры растворимость углерода уменьшается до 0,8 % при

эвтектоидном превращении. Аустенит мягок, хотя тверже феррита (200–250

HB) и пластичен (относительное удлинение 40–50 %).

Диаграммы состояния позволяют описать как фазовый состав, так и

структуру сплава. В этом случае диаграммы называют, соответственно, фазо-

вой или структурной. Часто обозначения фазового и структурного состава

сплавов объединяют. В этом случае диаграмма носит название фазово-

структурной. Диаграммы стабильного Fe–C и метастабильного равновесия

Fe–Fe

C также часто совмещают на одном координатном поле (рис. 1.1). При

изображении линий стабильной диаграммы железо–графит чаще всего ис-

пользуют штриховые линии, при изображении линий метастабильной диа-

граммы железо–цементит – сплошные линии. Основные точки метастабиль-

ной диаграммы приведены в табл. 1.1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Теоретическое введение



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-8-

Рис. 1.1. Совмещенная фазовая диаграмма железо–углерод

Таблица 1.1

Точки диаграммы состояния Fe–C

Точка

Температура,

°С

Концентрация

углерода, %

Точка

Температура,

°С

Концентрация

углерода, %

1496

0,1

727

0,8

1496

0,16

1147

2,14

1496

0,51

1147

4,3

727

0,02

0,006

В сплавах метастабильной системы Fe–Fe

C реализуются следующие

нонвариантные равновесия (рис. 1.1

перитектическое

+ δ

1496

←  →

;

эвтектическое

1147

←  →

+ Fe

(эвтектику (γ

+ Fe

называют ледебуритом);

эвтектоидное

727

←  →

+ Fe

(эвтектоид (α

+ Fe

э-д

называют перлитом).

Перлит – это эвтектоидная физико-химическая смесь двух фаз ферри-

та и цементита. Перлит образуется при переохлаждении аустенита ниже ли-

нии PSK диаграммы Fe–Fe

C. Строение перлита определяется величиной пе-

реохлаждения, при котором происходит распад.

При малом переохлаждении (на 20–30 °С ниже линии эвтектоидного

превращения) образуется зернистый перлит. Зернистый перлит представляет

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Теоретическое введение



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-9-

собой феррито-цементитную структуру, в которой основой является феррит,

а по его объему статистически равномерно распределены зернистые, близкие

к сферическим, включения цементита.

При большем переохлаждении образуется структура пластинчатого

перлита, состоящего из регулярно чередующихся пластин цементита и фер-

рита, причем пластины феррита примерно в 7 раз толще пластин цементита.

Перлит является основной структурной составляющей углеродистых сталей в

отожженном состоянии.

Согласно диаграмме железо–углерод к сталям относят сплавы железа

с содержанием углерода менее 2,14 % (сплавы до точки Е). Технически чис-

тое железо содержит углерода до 0,02 % С. Углеродистые стали подразделя-

ются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали со-

держат до 0,65 % С, инструментальные – более 0,65 % С. По содержанию уг-

лерода углеродистые стали делятся на низкоуглеродистые – до 0,3 % С,

среднеуглеродистые – 0,30–0,5 % С и высокоуглеродистые – более 0,50 % С.

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные при содержа-

нии углерода до 0,8 % С, эвтектоидные – 0,8 % С и заэвтектоидные – более

0,8 % С.

Образец 11 – техническое железо. Структура: феррит и третичный це-

ментит.

Образцы 12, 14, 22 – доэвтектоидные стали. Структура: феррит и перлит.

Образцы 21, 26 – эвтектоидная сталь (С = 0,8 %). Структура: пластин-

чатый и зернистый перлит.

Образец 23 – заэвтектоидная сталь (С = 1,3 %). Структура: перлит и

вторичный цементит в виде сетки по границам зерен перлита.

Образец 27 – доэвтектоидная сталь в литом состоянии. Структура:

перлит и феррит (видманштеттова структура).

Образец 28 – доэвтектоидная сталь в горячекатаном состоянии.

Структура: феррит и перлит в виде вытянутых полос (строчечная структура).

Техническое железо (сплав с содержанием углерода до 0,02 % С) отлича-

ется от чистого железа тем, что кристаллизация и фазовые превращения разви-

ваются по типу формирования структуры твердых растворов. Каждое из указан-

ных превращений развивается в определенном интервале температур (табл. 1.2

Таблица 1.2

Схема фазовых и структурных превращений в техническом железе

Условия развития

превращения

Δt

ниже линии AВ

Δt

ниже линии NН

Δt

ниже линии GS

Δt

ниже линии PQ

Фазовый

состав

→

Структу-

ра

→

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Структура углеродистых сталей



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-10-

При кристаллизации технического железа образуется δ-феррит. Далее

при переохлаждении ниже линии NH за счет полиморфных превращений

идет образование γ-аустенита, а затем (ниже линии GS) α-феррита. При ох-

лаждении ниже линии PQ растворимость углерода в феррите уменьшается и

из феррита выделяется третичный цементит Fe

III

в виде тонких светлых

прожилок по границам зерен феррита (рис. 1.2

). Структура технического же-

леза при комнатной температуре представлена зернами феррита, по границам

которых располагается третичный цементит (образец 11). Выделения цемен-

тита по границам очень вредны, т.к. придают материалу хрупкость.

Рис. 1.2. Микроструктура технического железа:

увеличение: а – ×250; б – ×1000

Если в сталях содержание углерода находится в пределах 0,02 < C < 0,8

%, то их называют доэвтектоидными.

Все стали так же, как и техническое железо, кристаллизуются по ти-

пу твердых растворов. В зависимости от содержания углерода при первич-

ной кристаллизации в сплавах образуется δ-феррит (до 0,51 % С) или аусте-

нит (от 0,51 до 2,14 % С). В доэвтектоидных сталях с содержанием углерода

от 0,1 % до 0,51 % идет перитектическое превращение (1496 °С), завершаю-

щееся образованием аустенита (0,16 % С), аустенита с избыточным δ-

ферритом (0,1 < C < 0,16 %), аустенита и избыточной жидкостью (0,16 < C <

0,51 %). После завершения всех этапов кристаллизации ниже линии солидус

в техническом железе и сталях формируется однофазная аустенитная струк-

тура.

Уменьшение температуры ниже критических точек вызывает развитие

превращений в твердом состоянии. Фазовая перекристаллизация аустенита

идет в две стадии: полиморфное превращение γ → α (ниже линии GS) и эв-

тектоидное превращение с образованием эвтектоида (перлита) γ

→ α

+ Fe

(на линии PSK). Перлит (α

+ Fe

имеет пластинчатое строение.

В зависимости от содержания углерода в стали формирование ее

структуры при охлаждении происходит по следующим цепочкам превраще-

ний (табл. 1.3

, табл. 1.4, табл. 1.5).